Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ существующих методов оценки долговечности двигателей летательных аппаратов и формулировка задач исследования 10
1.1 Существующие методики расчета надежности 14
1.1.1 Статистические методики 14
1.1.2 Методы оценки надежности по условиям эксплуатации 30
1.1.3 Методика оценки надежности с помощью структурно-энергетической теории отказов 38
1.2 Существующие виды внутренних дефектов металлов 40
1.2.1 Литейные дефекты 43
1.2.2 Дефекты кованого металла 43
1.3 Состояние вопроса и постановка научной задачи 44
ГЛАВА 2. Разработка методики оценки надежности и долговечности двигателей летательных аппаратов 46
2.1 Структурно-энергетическая теория отказов, как методика оценки надежности 46
2.2 Определение параметров n и структурно-энергетической теории отказов в зависимости от размеров дефектных структур материалов 53
2.3 Использование структурно-энергетической теории отказов для определения надежности и прогнозирования долговечности элементов, на основе содержащихся в них внутренних дефектов 58
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования турбинных лопаток и лопаток КВД 60
3.1 Допускаемые внутренние отклонения лопаток 60
3.2 Промышленная компьютерная томография как методика неразрушающего контроля элементов 62
3.3 Исследование внутренних отклонений турбинных и компрессорных лопаток с помощью томографии 63
3.4 Разрушающие испытания лопаток турбины и КВД 73
ГЛАВА 4. Оценка надежности газотурбинных двигателей 76
4.1 Оценка надежности газотурбинных двигателей с помощью интенсивностей отказов 76
4.2 Применение структурно-энергетической теории отказов в условиях создания и разработки газотурбинных двигателей 85
4.3 Расчет вероятности отказа рабочих лопаток с помощью структурно-энергетической теории отказов 88
4.4 Определение надежности и прогнозирование долговечности рабочих лопаток на основе содержащихся в их материале внутренних отклонений с помощью структурно-энергетической теории отказов 93
4.5 Разработка компьютерной программы для оценки надежности рабочих компрессорных и турбинных лопаток на основе информации о содержащихся в их материале внутренних отклонений 100
Заключение 103
Список сокращений и условных обозначений 106
Список использованной литературы
- Методы оценки надежности по условиям эксплуатации
- Определение параметров n и структурно-энергетической теории отказов в зависимости от размеров дефектных структур материалов
- Промышленная компьютерная томография как методика неразрушающего контроля элементов
- Расчет вероятности отказа рабочих лопаток с помощью структурно-энергетической теории отказов
Введение к работе
Актуальность темы. Как известно одними из наиболее механически нагруженных частей авиационного двигателя являются лопатки, используемые в составе компрессоров и турбины, зачастую именно они определяют эксплуатационный ресурс и межремонтный период всей конструкции. В современных условиях при разработке, проектировании, создании, модернизации и обслуживании авиационных двигателей для оценки надежности используются статистические методики расчета. Для определения показателя надежности производится сбор информации об отказных состояниях системы, после чего она структурируется и на основе интенсивностей отказов определяется показатель надежности. Соответственно оценка надежности отдельных механизмов и деталей также производится с использованием полученной ранее статистики, это касается абсолютно всех механизмов, в том числе и компрессорных и турбинных лопаток.
Безусловно, использование статистических методик позволяет с некоторой точностью оценивать надежность уже использующихся конструкций авиационных двигателей, однако для вновь разрабатываемых двигателей, для которых отсутствует эксплуатационная наработка, такая оценка будет не достоверной. В случаях создания, доработки и модернизации авиационных двигателей применяется оценка надежности с помощью аналогов, уже используемых на предыдущих версиях конструкции, однако, полученные таким образом статистические данные относятся к различным генеральным совокупностям, строго говоря, не могут использоваться для расчетов, вследствие изменения внутренней структуры материалов элементов, режимов их работы, характера нагружения и недостаточной экспериментальной наработки.
Более того, при статистической оценке надежности конструктором задаются запасы прочности, то есть возможное отказное состояние системы определяется исходя из соображений одного или группы экспертов, внося возможную ошибку вследствие наличия человеческого фактора.
Также, при использовании статистических методик расчета надежности во многих случаях невозможно объяснить причины отказов, особенно в начальный период эксплуатации. Очевидно, что в этих случаях всё же необходимо принимать во внимание физические процессы, протекающие в материале элементов.
Авиационный двигатель состоит из нескольких ступеней компрессорных и турбинных лопаток, которые отличаются друг от друга по размеру, сечению, материалу, наличию или отсутствию охлаждающих каналов, а, следовательно, и по воспринимаемым нагрузкам, но в случае использования статистических методик при определении надежности, нижним уровнем является отказ всех рабочих или направляющих лопаток одного из компрессоров или турбины. В соответствии с теорией вероятности, использование интенсивностей отказов возможно только в случае однородности выборки, этот факт демонстрирует
ошибку при использовании интенсивностей отказов при оценке надежности компрессорных и турбинных лопаток.
Таким образом, для более точной оценки надежности авиационных двигателей необходима разработка методики, которая бы позволяла, основываясь на физических факторах, прогнозировать вероятность отказа и долговечность отдельных компрессорных и турбинных лопаток.
Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение достоверности оценки надежности авиационных двигателей путем использования структурно-энергетической теории для определения вероятностей отказа рабочих лопаток.
Были сформулированы следующие основные задачи исследования:
-
Определение теоретической составляющей оценки надежности на основе структурно-энергетической теории отказов;
-
Разработка алгоритма расчета надежности и прогнозирования долговечности компрессорных и турбинных рабочих лопаток;
-
Выполнение исследований внутренних дефектов компрессорных и турбинных лопаток двигателей летательных аппаратов с использованием промышленной компьютерной томографии и их влияния на разрушение;
-
Проведение разрушающих испытаний исследуемых лопаток для определения и сравнения практических значений их наработки до отказа;
-
Разработка методики оценки надежности двигателей летательных аппаратов, выполняемой на основе содержания и развития в них внутренних дефектов и создание компьютерной программы для расчета.
Научная новизна. Применение структурно-энергетической теории отказов на практике производилось исключительно для плоских образцов толщинами 0,1-0,5 мм. Для оценки надежности объемных элементов, исходя из информации о внутренней структуре их материалов, а именно рабочих лопаток авиационного двигателя, структурно-энергетическая теория отказов использовалась впервые.
Практическая ценность. Практическая ценность работы заключается в разработке и реализации на ПЭВМ алгоритмов расчета показателя надежности авиационного двигателя при определении вероятности отказа рабочих компрессорных и турбинных лопаток, основываясь на физических характеристиках материла, и прогнозирования долговечности элементов при заданных механических нагрузках.
Методология и методы исследования. Объектом исследования являются рабочие лопатки турбины 1, 2 и 3 ступеней, а также новые и ремонтные рабочие лопатки 5 ступени компрессора высокого давления.
Для выявления внутренних отклонений был проведен неразрушающий контроль с помощью промышленной компьютерной томографии. Разрушающие усталостные испытания лопаток, для определения необходимой энергии разрушения проводились на вибрационных стендах по первой изгибной форме колебаний, при комнатной температуре (~20ОС). Перед
испытаниями лопатки препарировались тензорезисторами, по которым задавался и контролировался уровень переменных напряжений.
Для оценки надежности и прогнозирования долговечности лопаток использовалась структурно-энергетическая теория отказов, а определение показателей надежности всех остальных систем и механизмов авиационного двигателя с помощью построения дерева неисправностей.
Положения и выводы, выносимые на защиту.
-
С помощью статистических методик оценки невозможно достоверно оценить надежность доработанного, модернизируемого и вновь разрабатываемого авиационного двигателя. Оценку надежности необходимо проводить, основываясь на внутреннем состоянии материалов элементов. Для расчета вероятности отказа и прогнозирования долговечности на основании содержащихся внутренних отклонений в рабочих лопатках авиационного двигателя подходит структурно-энергетическая теория отказов.
-
Результаты экспериментальных исследования внутренних отклонений турбинных и компрессорных лопаток авиационного двигателя показали наличие внутренних дефектов в рабочих турбинных лопатках и наличие внутренних повреждений в рабочих лопатках компрессора высокого давления.
-
При оценке надежности с помощью структурно-энергетической теории отказов, основанной на наличии в материале элементов внутренних повреждений, происходит увеличение вероятности отказа по сравнению со статистическими методами. Так как рабочие компрессорные и турбинные лопатки находятся на нижних уровнях дерева неисправностей использование вероятностей отказа рассчитанных с помощью структурно-энергетической теории, вместо надежности определенной по интенсивностям отказов, также оказывает влияние на показатели надежности ряда подсистем и всей конструкции авиационного двигателя.
-
Используя структурно-энергетическую теорию, становится возможным определение долговечности рабочих лопаток авиационного двигателя. С помощью созданной компьютерной программы возможна оценка надежности различных авиационных двигателей, с учетом наличия внутренних повреждений в рабочих компрессорных и турбинных лопатках.
Достоверность результатов. Подтверждается использованием аттестованных приборов и экспериментальных установок; использованием апробированных экспериментальных методов; использованием современных компьютерных аппаратных и программных средств для сбора и обработки экспериментальных данных; удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментальных данных.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы были представлены на Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 70-летию основания кафедры ракетных двигателей Казанского авиационного института (КАИ) «Ракетные двигатели и энергетические
установки» (Казань, 2015), VIII Всероссийском форуме студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах» (Санкт-Петербург, 2014), II Международной научно-технической конференции «Проблемы обеспечения безопасности в промышленности, строительстве, на транспорте и в нефтегазовом деле. Анализ рисков» (Пермь, 2013), II Международной научно-практической конференции «Актуальные направления фундаментальных и прикладных исследований» (Москва, 2013), II Международной научной конференции «Инновационные процессы в исследовательской и образовательной деятельности» (Пермь, 2013).
Личный вклад автора заключается в разработке алгоритма определения показателя надежности рабочих лопаток газотурбинного двигателя с помощью структурно-энергетической теории отказов, непосредственном участии в проведении экспериментов, выполнении расчетов и анализе их результатов, а также разработке и составлении компьютерной программы, которая позволяет рассчитывать надежность авиационного двигателя с использованием информации о внутренних дефектов в материале рабочих лопаток.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 12 печатных работ, включая 2 статьи в центральных российских изданиях рекомендованных ВАК РФ по специальности 05.07.05, 3 статьи в прочих журналах из перечня ВАК РФ, 4 тезисов и материалов докладов на Международных и Всероссийских конференциях.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка использованной литературы из 113 наименований и двух приложений. Объем диссертации составляет 144 страницы. В работе содержится 38 рисунков и 18 таблиц.
Методы оценки надежности по условиям эксплуатации
Долговечность как одно из свойств надежности подразумевает способность системы элементов и оборудования сохранять работоспособное состояние до наступления отказа в заданных условиях при конкретных процедурах обслуживания и ремонта.
Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов.
Сохраняемость – способность сохранять значения показателей безопасности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и транспортирования [4].
На сегодняшний день Международной организацией гражданской авиации ИКАО (International Civil Aviation Organization, ICAO), принято руководство ARP 4761 «Методы оценки безопасности систем и бортового оборудования воздушных судов гражданской авиации» [5], которое определяет методы проведения оценки безопасности при сертификации гражданских летательных аппаратов. В состав этих методов включены анализ дерева неисправности, анализ логической схемы, анализ видов и последствий отказов, сводка анализа видов и последствий отказов, а также анализ общих причин, состоящий из анализа зонной безопасности, анализа специфического риска и анализа общего режима.
Согласно ARP 4761 оценка функциональной опасности проводится вначале цикла разработки системы. Она позволяет определить и классифицировать отказные состояния, связанные с функциями конструкции и комбинациями этих функций. Такая классификация отказных состояний устанавливает цели по обеспечению безопасности. На этом этапе основная задача заключается в четком определении каждого отказного состояния с проверенным обоснованием его классификации. После того, как функции уровня двигателя в процессе проектирования будут распределены между системами, каждая система, которая будет применяться для выполнения нескольких таких функций, должна быть дополнительно рассмотрена с применением оценки функциональной опасности, вплоть до единичных отказов. Результаты оценки функциональной опасности используются как исходное положение для проведения предварительной оценки безопасности системы.
Предварительная оценка безопасности системы является упорядоченной проверкой предполагаемой конструкции системы, для определения того, как отказы системы могут приводить к функциональным опасностям. Ее задачей является установление требований по безопасности системы и определение того, что при реализации предполагаемой конструкции разумно ожидать выполнение целей безопасности, определенных при функциональной оценке. Более того, предварительная оценка определяет стратегии защиты, учитывает концепции отказобезопасности и конструктивные решения, которые могут потребоваться для соответствия целям безопасности [6].
Предварительная оценка безопасности является итерационным процессом, связанным с развитием проекта и проводится на всех этапах разработки системы. Предварительная оценка безопасности обычно принимает форму анализа дерева неисправности, также может использоваться Марковский анализ или анализ логических цепей.
При проведении предварительной оценки безопасности с помощью аналитических методов все отказные состояния со значащими последствиями рассматриваются в качестве базовых событий, в свою очередь базовые события получают соответствующие интенсивности отказов из анализа и сводки видов и последствий отказов, то есть статистически.
После завершения предварительной оценки проводится оценка безопасности всей системы, которая является упорядоченной, подробной оценкой реализованной системы для демонстрации того, что цели безопасности, определенные при оценке функциональной опасности и производственные требования, определенные при предварительной оценке, удовлетворяются.
Вся остальная оценка надежности производится с помощью различных систем диагностирования в процессе эксплуатации, целью которых является управление техническим состоянием АД во время хранения, технического обслуживания и использования по назначению [7]. При переходе к эксплуатации и оценке по фактическому техническому состоянию [8] необходимо найти путь, обеспечивающий высокою эффективность технического обслуживания. Таким путем является ранняя диагностика, позволяющая обнаружить неисправности газотурбинных двигателей ГТД в такой стадии их развития, которая допускает хоть и ограниченное, но безопасное продолжение эксплуатации. Это означает, что диагностика, совершенствуясь и развиваясь, должна перерастать в прогнозирование состояния авиационной техники.
Однако, как показывает практика, в эксплуатации зачастую трудно добиться «адресности» дефектов, в частности в такой сложной динамической многокомпонентной системе, которой является авиационный ГТД. Известные методы инструментального контроля, математического моделирования предотказных состояний ГТД, методы полунатурных испытаний, факторного анализа и др., не дают желаемого эффекта [9].
По скорости развития эксплуатационные дефекты делят на две категории: быстро развивающиеся, которые вызывают внезапные отказы, и медленно развивающиеся [10]. К 1-й категории относятся труднопрогнозируемые отказы, которые являются следствием производственных, технологических дефектов или разрушения под действием мгновенно возникающей нагрузки, превышающей предел прочности элементов. Ко2-й категории относятся неисправности, возникновение и развитие которых может быть зарегистрировано, спрогнозировано и проконтролировано до их критического уровня [11]. В свою очередь, отрицательные последствия от механических повреждений не ограничиваются повреждениями деталей. Любое повреждение приведет к потере мощности и нарушениям в нескольких ступенях до и после самой поврежденной ступени [12]. В случае если бы производитель мог точно оценить состояние деталей на момент производства, и на этой основе оценить ресурс их работы, то стало бы возможным уменьшить количество отказов как 1-й, так и 2-й категории, тем самым увеличивая долговечность двигателя, а так же после ремонта продлять его работу на более длительный срок.
Таким образом, исследование закономерностей возникновения отказов объектов является главной задачей при оценке надежности авиационных двигателей, и хотя отказы являются случайным событием, причинами же их появления являются физико-химические процессы [13]. В этой связи, для обеспечения надежности ГТД решаются задачи по повышению прочности деталей, путем формирования оптимальной структуры материалов и высокого качества поверхностного слоя, оказывающих существенное влияние на выносливость, термостойкость и другие характеристики долговечности [14].
Определение параметров n и структурно-энергетической теории отказов в зависимости от размеров дефектных структур материалов
Возможность построения структурно-энергетических моделей отказов вытекает из физической природы отказов [78]. Как известно, твердые тела, находящиеся под воздействием внешних или внутренних источников энергии способны к ее накоплению. Согласно закону сохранения энергии, при воздействии на элемент должно выполняться следующее равенство: n Ei =kij ej j=1 , (2.1) где Ei – i-я форма подводимой к элементу энергии; ej – j-я форма запасенной элементом энергии; kij – коэффициент преобразования, показывающий связь подводимой энергии i-ой формы с запасенной энергией j-ой формы. Как видно из уравнения 2.1, связь между подводимой и запасенной энергией является линейной, тем не менее, твердое тело определенных размеров не может поглощать энергию беспредельно, то есть в некоторый момент наступают условия, при которых закон накопления энергии элементом перестает соблюдаться. Момент, в котором происходит такое нарушение, является отказом элемента. Другими словами, при увеличении запасенной энергии в элементе выше некоторого критического значения происходит его отказ. Этот факт позволяет сопоставить вероятность отказа элемента, как показатель надежности, с количеством подводимой энергии и получить функциональную зависимость q = f(E).
Структурными единицами элемента являются атомы, молекулы и ионы, то есть физико-химические превращения в нем, такие как разрушение, восстановление или образование новых связей, происходят на атомно-молекулярном уровне. То есть, на микроскопическом уровне процессы, которые приводят к возникновению отказов, носят дискретный характер, а учитывая тот факт, что степени свободы атомных частиц в твёрдом теле носят упорядоченный характер, то исходя из статистической физики различные процессы, происходящие в твердом теле могут быть описаны путем введения в рассмотрение квазичастиц, которые движутся в занимаемом телом объеме в определенном направлении и обладают определенными энергиями. Таким образом, процесс возникновения отказа, можно рассматривать как процесс прохождения активных квазичастиц через некоторый потенциальный барьер, в результате которого, квазичастицы выбывают из процесса, затрачивая некоторую энергию для преодоления сил структурного взаимодействия, вызывая отказ элемента. То есть для наступления отказа необходимо поглощение квазичастиц некоторым микрообъемом элемента.
Итак, чувствительные микрообъемы оказывают каталитическое воздействие на процессы возникновения отказа, то есть для отказа элемента необходимо поглощение ими критического значения n квазичастиц. Что бы сформулировать задачу математического описания энергетического воздействия на элементы воспользуемся следующими условиями.
Пусть совокупность, состоящая из N элементов, каждый из которых содержит т 1 идентичных по форме, размерам и расположению чувствительных микрообъемов, подвергается энергетическому воздействию Е. В результате этого воздействия в элементе возникают квазичастицы, число которых на единицу характерного размера элемента равно = кЕ, где к - коэффициент пересчета энергии в число квазичастиц. Квазичастицы случайным образом могут поглощаться чувствительными микрообъемами, вызывая с определенной вероятностью q отказ элемента, которая является обратной величиной вероятности безотказной работы Р.
Необходимо определить закономерность возникновения отказов элементов, если известны величина энергетического воздействия Е, количество т и размеры чувствительных микрообъемов: q = f ( E,m,#) = 1-P.
Предположим, что поглощение одной квазичастицы равносильно возникновению одного повреждения в элементе, тогда уравнения процессов возникновения отказов элементов, как процесса накопления энергии чувствительными микрообъемами до определенной величины и процесса накопления элементарных повреждений, которые возникают в чувствительных микрообъемах элементов в результате энергетического воздействия на них, будут описываться одними и теми же уравнениями.
Учитывая тот факт, что процесс поглощения активных квазичастиц носит дискретный характер, решение поставленной задачи можно свести к следующему.
Пусть события поглощения активных квазичастиц или события возникновения элементарных повреждений в чувствительных микрообъемах элементов в результате энергетического воздействия на них происходят случайно и независимо друг от друга. Тогда вероятность того, что в чувствительном микрообъеме произойдет поглощение точно / активных квазичастиц или возникнет точно / элементарных повреждений, может быть задана распределением Пуассона со средним значением п=$=МЕ: ! , (2.2) где P[i] - вероятности поглощения точно / активных квазичастиц чувствительным микрообъемом элемента (вероятность возникновения точно і элементарных повреждений).
Так как для наступления отказа необходимо поглощение п активных квазичастиц (возникновение п элементарных повреждений), то для уравнения определения безотказной работы элемента принимаем i=n-1. Таким образом, уравнение безотказной работы в зависимости от энергетического воздействия, без учета фактора времени будет иметь следующий вид:
Тем не менее, нельзя утверждать, что любое поглощение активной квазичастицы будет эффективным, т.е. обязательно вызывать возникновение одного повреждения. Поэтому вместо геометрического размера О чувствительного микрообъема необходимо рассматривать эффективный размер Зэф=&Р, где Р - вероятность того, что событие поглощения активной квазичастицы окажется эффективным. Тогда выражение (2.3) должно быть записано в виде:
Недостатком представленной модели является то, что величина энергетического воздействия на элементы задается не в явном виде, а числом квазичастиц, возникающих в элементе в результате энергетического воздействия на него, что затрудняет ее использование на практике. В этой связи рассмотрим процесс возникновения отказов, как переход элемента из одного состояния в другое, в результате энергетического воздействия Е, которое провоцирует возникновение активных квазичастиц, часть которых поглощается чувствительными микрообъемами. На рис. 2.1 в виде схемы представлен этот процесс, где St означает /-oe состояние элемента, характеризуемое поглощением чувствительными микрообъемами элемента / активных квазичастиц (/=0, 1, …, n), а а - коэффициент перехода из одного состояния в другое.
Промышленная компьютерная томография как методика неразрушающего контроля элементов
Промышленная компьютерная томография как метод неразрушающего контроля начала развиваться еще в 70-е года ХХ века [98-101]. В настоящее время существует ряд зарубежных стандартов, включающих описание методики, ее возможностей и принципов использования [102-109]. С момента изобретения и внедрения в производство компьютерная томография стала инструментом отработки технологии и повышения надежности ответственных изделий многих инновационных отраслей ведущих промышленных стран, в том числе в авиационной промышленности [110-111]. Несмотря на сложность, дороговизну и проблемы биологической защиты, несомненная конкурентоспособность промышленной компьютерной томографии до сих пор обусловлена неспособностью традиционных методов и средств неразрушающего контроля и измерений количественно исследовать сложную внутреннюю структуру ответственных деталей и сборок, имеющих критическое значение для обеспечения надежности аэрокосмических, автомобильных, энергетических и оборонных систем [112]. В авиационной промышленности компьютерная томография используется для измерения геометрии системы охлаждения внутри литых турбинных лопаток, определения правильности сборки и измерения величины зазоров внутренних структурных элементов, оценки качества сварных и паяных соединений и однородности материала, и др. Более того, так как, компьютерная томография позволяет получать точное и полное 3D изображение объектов, можно применять томограф для проведения координатных измерений. В отличие от обычных оптических и контактных координатно-измерительных систем томография позволяет получить информацию о скрытых деталях образцов, таких как пустоты или трещины [113].
Для экспериментов был использован промышленный компьютерный томограф для рентгеноскопии на основе рентгеноскопической системы XTH 450 LC, который позволяет получать превосходное разрешение и точность изображения за счет меньшего, по сравнению с аналогами, размера фокального пятна.
Томография при расчете с помощью структурно-энергетической теории отказов ценна тем, что позволяет определить не только площадь, форму и количество внутренних отклонений, но и их объем.
С помощью промышленной компьютерной томографии были проведены исследования внутренней структуры партий рабочих лопаток 1 ступени турбины высокого давления ТВД из сплава ЖС26-ВИ, 2 ступени ТВД из сплава ЖС32-ВИ и рабочих лопаток 3 ступени свободной турбины СТ из сплава ЧС70-ВИ. Примеры полученных изображений с внутренними отклонениями и дефектами представлены в таблицах 3.3, 3.4, 3.5.
Также были проведены исследования партий компрессорных лопаток используемых в 5 ступени КВД, новых, которые до испытаний не подвергались эксплуатации (табл.3.6), и бывших в эксплуатации, восстановленных после повреждения с помощью лазерной наплавки, которые в дальнейшем устанавливаются на менее нагруженные объекты, такие как газоперекачивающие станции (табл.3.7). Таблица 3.3 Результаты исследования рабочих лопаток 1 ступени ТВД сплава ЖС26-ВИ
Более того, рабочие лопатки турбины являются наиболее теплонапряженными деталями и потому практически определяют как межремонтный, так и общие ресурс двигателя. В этой связи лопатки турбины сконструированы полыми (рис. 3.13), с каналами охлаждения. Не смотря на то, что существуют стандарты на образование внутренних каналов охлаждения лопаток турбины, вследствие операций литья их объем может отличаться от разработанного конструктором, в этой связи отклонения от эталонной литниковой системы также необходимо определять с помощью томографии. Рис. 3.10 Изображение внутренних каналов охлаждения турбинной лопатки, полученное с помощью исследований томографией
Проведенный анализ демонстрирует наличие более крупных, чем это допускается, внутренних дефектов в лопатках турбины, также во всех случаях присутствуют отклонения в размерах охлаждающих каналов. Были обнаружены мелкие внутренние повреждения в материале компрессорных лопаток, и довольно крупные в наплавленном слое восстановленных. В таблице 3.8 представлены объемы внутренних дефектов и отклонений, полученные с помощью томографии, для каждой исследуемой лопатки. Таблица 3.6 Результаты исследования рабочих лопаток 5 ступени КВД из титана марки ВТ8
Для реализации структурно-энергетической теории на практике необходимо при заданной нагрузке определить время наработки до разрушения лопаток, с целью определения показателей материала п и а, характеризующих размеры V и количество т чувствительных микрообъемов материала элемента и число элементарных повреждений необходимых для наступления отказа. Разрушающие испытания лопаток проводились на электродинамических вибростендах типа ВЭДС-400 и ВЭДС-1500 по первой изгибной форме колебаний, при комнатной температуре ( 20ОС). Перед испытаниями лопатки препарировались тензорезисторами, по которым задавался и контролировался уровень переменных напряжений. Настройка и тарировка тензоаппаратуры проводилась при помощи камертонно-тарировочного устройства КТУ-1.
Расчет вероятности отказа рабочих лопаток с помощью структурно-энергетической теории отказов
На основании вышеизложенного создана компьютерная программа, которая позволяет оценить надежность авиационного двигателя, используя информацию о наличии внутренних дефектов в материале рабочих турбинных и компрессорных лопаток. В качестве параметра надежности полученного применением информации об интенсивностях отказов рабочих компрессорных и турбинных лопаток используется их вероятность отказа, рассчитанная с помощью структурно-энергетической теории. Так как замена производится на нижнем уровне дерева неисправностей, то изменения касаются и прочих значений, находящихся на верхних уровнях, в том числе изменяется значение вероятности полного отказа двигателя. Структурная схема алгоритма расчета представлена на рисунке 4.15.
Написание программы производилось на языке программирования С++, с помощью кросс-платформенной библиотеки Qt версии 5.5.0. Для выполнения расчета в базу вносятся следующие исходные данные: нагрузка во время разрушающих испытаний (Iи)j, время разрушающих испытаний до отказа для каждой лопатки (tи)jn, информация об объеме внутренних отклонений в материале каждой лопатки используемой в конструкции двигателя lji, объем материала каждого типа лопаток Lj, (K3)j – предел прочности материала лопаток, (K4)j – предел выносливости материала лопаток, где, m – количество лопаток при проведении разрушающих испытаний; j – количество ступеней; i – количество исследуемых однотипных лопаток.
Исходя из этих параметров вычисляется дисперсия наработки однотипных лопаток до отказа, а в последующем расчете при задании эксплуатационной нагрузки (Iэ)j и предполагаемого времени эксплуатации до обслуживания tэ, становится возможным рассчитать вероятности отказа каждой отдельной рабочей лопатки qji КВД, КНД и турбины, отдельных ступеней qj, всего КВД qKV, КНД qKN и турбины qT, а также, исходя из полученных значений, с помощью древа неисправности оценить показатель надежности всего двигателя Q.
В процессе работы над диссертацией были получены следующие результаты.
1) Определена теоретическая составляющая оценки надежности на основе структурно-энергетической теории отказов, с помощью которой, в результате систематизации и анализа информации о существующих методиках были определены возможные пути увеличения их точности. Дальнейшее развитие систем оценки надежности двигателей летательных аппаратов заключается в определении и учете влияния объема внутренних чувствительных структур материалов элементов, при оценке параметра безотказной работы двигателя с помощью статистических методов.
2) По результатам анализа существующих способов оценки надежности в условиях разработки, конструирования и производства авиационных двигателей был разработан алгоритм оценки вероятности отказа рабочих турбинных и компрессорных лопаток, основанный на исследовании внутреннего состояния их материла.
3) Выполнены исследования внутреннего состояния материала рабочих лопаток 1, 2, 3 ступеней турбины и рабочих лопаток 5 ступени КВД новых и бывших в эксплуатации, восстановленных с помощью лазерной наплавки.
В случае турбинных лопаток удалось обнаружить более крупные внутренние поры, чем допускают производственные стандарты, касательно компрессорных лопаток, в которых наличие дефектов не допускается, также были найдены мелкие внутренние повреждения, и значительные несплавления и поры в восстановленных лопатках. Во всех случаях объем внутренних каналов охлаждения турбинных лопаток не соответствует разработанному конструктором, что тоже следует учитывать при определении объема чувствительных структур.
4) Проведены разрушающие испытания лопаток, которые продемонстрировали значительные различия в их наработке, не смотря на одинаковые нагрузки, материалы, геометрию и способ изготовления. Выполнен расчет надежности рабочих турбинных и компрессорных лопаток с помощью структурно-энергетической теории отказов, на основе информации полученной в ходе разрушающих испытаний и на основе содержания внутренних дефектов в образцах. Полученные значения показателей надежности при этих расчетах практически идентичны. Сравнение рассчитанных вероятностей отказа с используемыми при производстве авиационных двигателей интенсивностями показало значительное увеличение вероятности отказа на 1-2 порядка. Также проведена оценка долговечности исследуемых лопаток, в результате которой был сделан вывод, что при изготовлении партии однотипных лопаток и при контроле их состояния с помощью уже применяемых неразрушающих методик, для оценки их ресурса с помощью структурно-энергетической теории отказов достаточно исследовать один образец, чтобы сделать вывод о долговечности всех изготовленных элементов. Такое заключение возможно, так как гарантированное время работы по результатам расчета изменяется незначительно, при этом, для большей надежности следует задаться запасом времени хотя бы в 20-50 часов.
В случае лопаток 5 ступени КВД восстановленных с помощью наплавки, когда образование внутренних отклонений не зависит от технологии и может происходить случайным образом, необходимо их более тщательное исследование, более того, следует учитывать тот факт, что тело лопатки изготовлено из титанового сплава ВТ8, а наплавка производилась порошком из сплава ВТ6, в этой связи при прогнозировании времени работы таких элементов следует задаться значительным запасом времени и увеличить частоту контроля в процессе эксплуатации, для предотвращения их внезапного разрушения.
5) Разработана модель оценки надежности авиационного двигателя, основанная на уже используемых статистических методиках определения интенсивностей отказов и разработанного алгоритма оценки вероятности отказа рабочих лопаток. Создана компьютерная программа, учитывающая вероятности отказа, рассчитанные относительно внутреннего состояния материала рабочих лопаток и интенсивности отказа других систем входящих в конструкцию авиационного двигателя, которая позволяет наглядно проследить влияние структурных повреждений материале на надежность.
6) Результаты диссертационной работы приняты к внедрению ОАО «Авиадвигатель» в качестве методики оценки надежности и долговечности рабочих компрессорных и рабочих турбинных лопаток.